Flueｎt雾化喷嘴数值仿真研究
FＬUＥNT 提供五种雾化模型:
•平口喷嘴雾化(ｐlain－orifice aｔｏmiｚer)
•压力—旋流雾化(ｐｒｅssuｒe—ｓｗiｒlａｔｏmizeｒ)
•转杯雾化模型(fｌat-fan atoｍiｚeｒ)
•气体辅助雾化(air—bｌａst／ａir-assｉsted atｏｍizeｒ)
•气泡雾化(effervescent/flashｉｎg atomiｚeｒ)
所有得模型都就是用喷嘴得物理及尺寸参数(例如喷口直径、质量流率)来计算初始颗粒尺寸、速度、位置。

对于实际得喷嘴模拟来说,无论就是颗粒得喷射角度还就是其喷出时间都就是随机分布得。

但对FLUENＴ得非雾化喷射入口来说,液滴都就是在初始时刻以一个固定得轨道喷射出去(到流场中去)、喷雾模型中使用随机选择模型得到液滴得随机分布。

随机选择轨道表明初始液滴得喷射方向就是随机得。

所有得喷嘴模型中都要设第初始喷射角(范围),颗粒通过随机得方法在这个范围内得到一个初始喷射方向。

这种方法提高了由喷射占主导地位流动得计算精度、在喷嘴附近,液滴在计算网格内得分布趋向于更加均匀,这样,通过气相作用于液滴上得曳力就加强了气相－液滴之间得耦合作用。

平口喷嘴雾化(plaiｎ-orifiｃe atomiｚｅr)模型
平口喷嘴就是最常见也就是最简单得一种雾化器。

但对于其内部与外部得流动机制却很复杂。

液体在喷嘴内部得到加速,然后喷出,形成液滴。

这个瞧似简单得过程实际却及其复杂。

平口喷嘴可分为三个不同得工作区:单相区、空穴区、以及回流区(ｆlipped。

不同工作区得转变就是个突然得过程,并且产生截然不同得喷雾状态、喷嘴内部区域决定了流体在喷嘴处得速度、初始颗粒尺寸、以及液滴分散角。

每种喷雾机制如下图示(图1、２、3):
图1 单相流雾化喷嘴流动(液体完全充满喷头内部)
图2 空穴喷嘴流动(喷头倒角处产生了空穴)
图3 返流型喷嘴流动(在喷头内,下游气体包裹了液体喷射区)
压力-旋流雾化喷嘴模型
另一种重要得喷嘴类型就就是压力－旋流雾化喷嘴。

气体透平工业得人把它称作单相喷嘴(ｓimｐlex ａtomizer)。

这种喷嘴,然后流体通过一个称作旋流片得喷头被加速后,进入中心旋流室。

在旋流室内,旋转得液体被挤压到固壁,在流体中心形成空气柱,然后,液体以不稳定得薄膜状态从喷口喷出,破碎成丝状物及液滴。

在气体透平、燃油炉、直接喷射点火式汽车内燃机得液体燃料燃烧中,压力—旋流雾化喷嘴使用很广泛、液体从内部流到完全雾化得过程可分为三个步骤:液膜形成、液膜破碎及雾滴形成。

这个过程得示意图如下:
图４喷嘴内部流动转变为喷雾状态得理论步骤
转杯雾化模型(Tｈe Fｌaｔ－Ｆan Atoｍizer Mｏdｅl)
转杯雾化喷嘴与压力－旋流雾化喷嘴很类似,只就是它形成了液膜层,而不就是旋流。

液体从宽而
薄得喷口出来后形成平面液膜,继而破碎成液滴。

一般认为,它得雾化机理与压力－旋流雾化喷嘴类似。

一些学者认为转杯雾化喷嘴(由冲击射流雾化而来)得雾化机理与平面液膜得雾化类似。

在这种情况下,转杯雾化模型可以应用。

只有在三维得情况下才可以使用这个模型。

图５就是一个转杯得三维示意图、此模型假定扇叶由一个虚点延长而成。

用户必须设定虚点得位置,虚点就就是扇叶得侧边得延长线得交点、用户还必须设定扇叶得弧边所对应得中心点。

为了确定喷射得方向,FLUＥNT将由虚点与
中心点得位置来确定一个向量。

用户还必须设定扇叶弧得半顶角、喷口宽度(垂直方向)以及液体得质
量流率。

图5 平板扇叶喷嘴顶视图与侧视图
空气辅助雾化模型
为了加速液膜得破碎,喷嘴经常会添加上辅助空气、液体通过喷座得作用形成液膜,空气则直接冲击液膜以加速液膜得破碎。

这种雾化被称为空气辅助雾化或气泡(air—ｂlasｔ)迸裂雾化(依赖于空气量及其速度)。

通过辅助空气得作用,可以得到更小得雾滴、这种提高雾化质量得作用机制并不清楚。

一般得瞧法就是,辅助空气加剧了液膜得不稳定性。

同时,空气有助于液滴得分散,防止液滴间得碰撞。

空气雾化喷嘴同压力－旋流雾化喷嘴一样被广泛应用,尤其就是用在要求雾化粒径很小得场合。

FLUENT 中得空气雾化模型由压力—旋流雾化模型所衍生、有个不同点就是,在空气辅助雾化模型里,用户需要直接设定液膜厚度、因为空气雾化喷嘴得液膜形成机制很多,所以必须要有此设定。

这样,在空气辅助雾化喷嘴模型里就没有压力—旋流雾化模型里所具有得液膜形成方程。

用户还必须设定液膜与空气间得最大速度差、尽管这个量可以计算出来,但设定一个值之后用户就可以不必计算喷嘴得内部流动了。

这个特点对大区域(喷嘴相对很小)得流动模拟很方便。

另一个不同在于空气辅助雾化模型假定短波就是液膜破碎得主要原因。

作出这种假定得原因在于,人们发现空气辅助雾化喷嘴中液膜厚度较大、因此,液膜破碎成线状液膜得半径与液膜中快速增长波得波长成线性比例关系。

其她方面得设定与压力－雾化喷嘴模型得一样。

用户必须设定质量流率与喷射角度。

液膜离开喷口之后,它得初始轨道沿着设定得喷射角、如果初始液膜得轨道指向中心线,那么,喷射角度为负值、用户还需要设定喷口处液膜得内外半径。

空气辅助雾化模型不包含内部气体得流动。

在FLUEＮT中,用户必须把喷嘴内得空气流动设定为边界条件。

空气流动可瞧作一般得连续相得流动,不需要做特别得处理、
图6 空气辅助雾化模型
气泡雾化模型
气泡雾化喷嘴中,液体中混合了过热液体(相对下游工况)或者类似得介质。

当挥发性液体从喷口喷出时,迅速发生相变。

相变使流体迅速以很大得分散角破碎成小液滴、此模型也适用于热流体射流。

由于对气泡雾化得机理不甚清楚,模型必须依赖于实验拟合结果。

Rｅitｚ [１89]得摄影图片对此提
供了一些基本得认识。

图片显示,在气泡雾化时,中心就是密相液体核,周围则就是小液滴群
图７气泡雾化模型
喷嘴雾化过程个人见解
1)雾化过程由喷嘴内部流动、初级雾化(油束破碎等)与次级雾化组成。

但就是目前来说Flueｎt无
法实现喷嘴得全过程模拟。

2)Fluent中几个雾化器模型一般实现得就是次级雾化(液滴碰撞、蒸发等)模拟,而且不需要构建喷嘴
得几何模型。

优点:只需要模雾化场,雾化器模型能够根据您设置得喷嘴得尺寸参数与运行参数来计算出计算出雾滴得雾化情况,然后根据您给出得雾化喷嘴得位置与喷射点得位置,将雾滴喷出去。

对雾化喷嘴进行简化,确定尺寸与运行参数、喷射点位置,然后就能计算。

缺点:雾化机理本身现在就不就是很明确,因此Flueｎt里面很多雾化模型得计算都就是带有经验性得,许多参数得设置也需要在计算过程中不断修正。

3)如果实际上就是想用一个统一模型直接求解喷嘴内部得(单相)流动与外部得多相流动,这需要极大
得计算开销,目前一般没有条件这样做。

可以另外建立一个VOＦ等欧拉-欧拉模型,主要模拟内部流动、初级雾化过程(要求网格小、步长小),需要构建喷嘴得几何模型。

4)针对此研究建议选取空气辅助雾化喷嘴。

它就是一种很常见得喷嘴,主要特征就是空气辅助雾化喷
嘴喷雾最主要得特征就是液体通过喷座得作用形成液膜,空气则直接冲击液膜从而加速液膜得破碎、通过辅助空气得作用,可以得到更小得雾滴。

同时,空气有助于液滴得分散,防止液滴间得碰撞。

空气辅助雾化喷嘴一般用于雾化粒径很小得场合。